JPH071210B2 - 圧電型圧力分布センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数個の圧電素子をマトリクス状に配置して
接触圧力分布を検出する圧電型圧力分布センサに関し、
特に、複数個の圧電素子が設けられた部分における厚み
のばらつきを解消する構造が備えられたものに関する。

〔従来の技術〕

特開昭62-297735号には、複数個の圧電素子をマトリク
ス状に配置して接触圧力分布を検出するセンサが開示さ
れている。

ここでは、ベース部材上に配置された複数個の圧電素子
の上下両端に設けられた電極間の電位差を測定すること
により、各圧電素子に加えられた圧力を算出し、それに
基づいて圧力分布を知ることが可能とされている。

上述の従来技術の構造を、第２図を参照して説明する。
ベース部材１上には、配線パターン２が形成されてい
る。この配線パターン２の所定位置上に、それぞれ、圧
電素子３が載置されている。圧電素子３の上下両端面に
は、一対の電極（図示せず）が形成されており、下方の
電極が配線パターン２に電気的に接続されている。

他方、圧電素子３の上方には、可撓性の加圧シート４が
配置されている。加圧シート４の下面にも、配線パター
ン５が形成されており、配線パターン５の所定位置に、
圧電素子３の上端面に形成された電極が導電性接着剤に
より接着されている。

上記の構造では、加圧シート４の外表面に物体が当接さ
れた場合、その物体の接触圧に基づく圧力分布に従って
各圧電素子３にそれぞれ圧力が加えられる。従って、圧
電効果により各圧電素子３に生じた電荷を、図示しない
検出装置を用いて検出することにより、当接された物体
に基づく圧力分布を検出することができる。

〔発明が解決しようとする技術的課題〕

従来の圧電型圧力分布センサにおいては、当接された物
体に基づく圧力分布を正確に検出する前提として、複数
個の圧電素子３の設けられている部分の高さが均一であ
ることが要求される。しかしながら、従来構造では、加
圧シート４やベース部材１の厚みのばらつき、圧電素子
３の高さのばらつき並びに接着剤層の厚みのばらつき等
により、各圧電素子３が設けられている部分におけるセ
ンサの厚みにばらつきが生じざるを得なかった。

圧電型圧力分布センサは、加圧力に対する圧電素子３の
歪みがさく、従って全体として歪みの非常に小さな高感
度のセンサを構成し得るものである。にもかかわらず、
従来技術の構造では各圧電素子の設けられている部分の
厚みのばらつきを抑えることができなかったので、この
ような圧電素子の優れた特性を生かすことが困難であっ
た。

よって、本発明の目的は、複数個の圧電素子が設けられ
ている部分におけるセンサの厚みを均一にすること、す
なわち被測定物に接触される部分の高さを均一化するこ
とが可能であり、従って高感度に、かつ正確に圧力分布
を検出し得る圧電型圧力分布センサを提供することにあ
る。

〔技術的課題を解決するための手段〕

本発明の圧電型圧力分布センサでは、ベース部材上に複
数個の圧電素子がマトリクス状に配置されて、圧電素子
群が構成されている。この複数個の圧電素子のベース部
材と反対側の端面に当接するように加圧シートが配置さ
れている。そして、各圧電素子の上記ベース部材と反対
側の端面と加圧シートを介して表裏対向する加圧シート
の外表面部分に複数個の高さ調整部材がそれぞれ取付け
られている。この高さ調整部材は、その厚みを機械加工
により低減し得る材料から構成されている。

〔作用〕

複数個の高さ調整部材が、その厚みを機械加工により低
減し得る材料により構成されているので、各圧電素子部
分に対応して設けられた高さ調整部材の厚みを機械加工
により調整することにより、各圧電素子が設けられてい
る部分における被測定物に接触する面の高さを均一化す
ることができる。

〔実施例の説明〕

第３図は、本発明の一実施例の概略斜視図である。本実
施例の圧電型圧力分布センサ10は、ステンレス等の導電
性材料よりなるシールドケース11を用いて構成されてい
る。シールドケース11には矩形の開口11aが形成されて
いる。後述するように、この開口11a内に露出している
部分が被測定物に当接され、その圧力分布が検出される
ように構成されている。

上記実施例の内部構造を、第４図の分解斜視図を参照し
て詳述する。

ステンレス等の剛性材料よりなるベース部材12と、上記
したシールドケース11とで構成されるケース内に圧力分
布センサが構成されている。

ベース部材12上には、上方に突出しされた位置決めピン
12a,12bが設けられている。位置決めピン12a,12bは、ベ
ース部材12上に載置される後述の各部材の位置決めを果
たすために設けられているものである。

ベース部材12のコーナー部分には、上方に突出した矩形
の突出部12c〜12fが形成されている。突出部12c〜12fの
側面には、ねじ孔13が形成されている。ねじ孔13は、ベ
ース部材12上に各部材を収納しシールドケース11を被せ
た状態で、シールドケース11をベース部材12にねじ14に
より固定するために設けられている。

ベース部材12の直上には、フレキシブル基板15が載置さ
れる。フレキシブル基板15には、位置決めピン12a,12b
に挿通される位置決め孔15a,15bが形成されている。ま
た、第４図では正確には図示していないが、該フレキシ
ブル基板15の上面及び下面には所定の配線パターンが形
成されており、想像線Ａで示す部分にはチップ型コンデ
ンサが載置され、想像線Ｂで示す部分にはFETが搭載さ
れる。さらに、想像線Ｃで示す４個の矩形領域には、後
述する圧電素子が載置される。そして、圧電素子の端面
に形成された電極とフレキシブル基板15上の配線パター
ンとが電気的に接続されるように構成されている。

16はケーブルを示し、フレキシブル基板15に設けられた
入出力パッドに接続される。

フレキシブル基板15上には、平面形状が矩形の樹脂枠17
が載置される。樹脂枠17には、４個の圧電素子収納用貫
通孔17a〜17d並びに位置決めピン12a,12bが挿通する貫
通孔17e,17fが形成されている。この樹脂枠17は、４個
の圧電素子18〜21をそれぞれ収納するために設けられて
いるものである。もっとも、樹脂枠17の厚みは、圧電素
子18〜21の厚みよりも薄くされている。

圧電素子18〜21は、それぞれ、上下端面に電極を付与し
た構造を有し、上下方向に圧力が加えられたときに圧電
効果により電荷を発生する圧電セラミックスや圧電性単
結晶により構成されている。なお、この圧電セラミック
スや圧電性単結晶としては、比較的剛性の高いものが用
いられる。

樹脂枠17上には開口22aを有する弾性シート22が載置さ
れる。この開口22aは、圧電素子18〜21の上端面を露出
させる大きさに形成されている。弾性シート22は、例え
ば合成ゴム等の弾性材料により構成されている。

弾性シート22上には、加圧シートとしての第２のフレキ
シブル基板23が載置される。フレキシブル基板23の中央
には矩形の貫通孔23aが形成されている。貫通孔23aは、
樹脂枠17の上面に形成された嵌合突起17gが挿通し得る
形状及び大きさに構成されている。この貫通孔23a及び
嵌合突起17gによりフレキシブル基板23の位置決めが果
たされる。

フレキシブル基板23の下面には、所定の配線パターンが
形成されており、導電性接着剤等を用いて圧電素子18〜
21の上端面の電極と該配線パターンとが電気的に接続さ
れる。

第２のフレキシブル基板23の上面には、例えばステンレ
ス等の機械加工によりその厚みを低減することが可能な
材料よりなる第１〜第４の高さ調整部材24〜27が、連結
部28により互いに連結されてなる高さ調整プレート30が
固着される。

第１〜第４の高さ調整部材24〜27は、平面形状が矩形で
あり、圧電素子18〜21の上端面にフレキシブル基板23を
介して表裏対向する部分に載置される。高さ調整部材24
〜27は、図示のような連結部材28により互いに連結され
ている必要は必ずしもなく、それぞれ独立に設けられて
いてもよい。

上述した各構成部材をベース部材12上に載置し必要な部
分を固着した状態でシールドケース11を被せ、ねじ14に
よりシールドケース11をベース部材12に固着することに
より、第３図に示した圧電型圧力分布センサ10が得られ
る。

次に、本実施例の特徴的構造につき、第１図の拡大断面
図を参照して説明する。

第１図は、第３図のI-I線に沿う部分の要部を拡大して
示す断面図である。組込まれた状態では、圧電素子18,2
0の上方には、下面に電極パターン23bが形成された第２
のフレキシブル基板23が載置されている。この電極パタ
ーン23bは、図示しない導電性接着剤により圧電素子18,
20の上端面の電極18a,20aと電気的に接続されている。

圧電素子18,20の下端面側では、ベース部材12上に載置
された第１のフレキシブル基板15上の配線パターン15d
と圧電素子18,20の下端面の電極18b,20bとが図示しない
導電性接着剤により固着されている。

各圧電素子18,20の上方においては、加圧シートとして
の第２のフレキシブル基板23を介して表裏対向する外表
面部分に高さ調整部材24,26が固着されている。

よって、本実施例では、第４図に示した各部材を組込ん
だ後に、あるいはシールドケース11を被せる前に、高さ
調整部材24,25を機械加工により研削することにより、
圧電素子18,20が配置されている部分における被測定物
に接触される面の高さを等しくすることができる。第１
図では図示されていない圧電素子19,21が設けられてい
る部分においても同様に、高さ調整部材25,27を研削し
て厚みを低減し得るので、その圧電素子が設けられてい
る部分における被測定物へ接触される面の高さを均一化
することができる。

従って、ベース部材12、第１のフレキシブル基板15及び
第２のフレキシブル基板23等の各構成部材の厚みが部分
的に均一でなかったとしても、上記高さ調整部材24〜27
の厚みを低減するように機械加工することにより、複数
個の圧電素子18〜21が設けられている部分の高さを一定
にすることが可能である。よって、被接触物体の当接に
基づく圧力分布を正確に検出することが可能となる。

なお、従来の圧電型圧力分布センサでは、マトリクス状
に配置された複数の圧電素子から制御線及び読取り線を
引出し、電気的に切換えて検出していたが、上記実施例
では、圧電素子が２×２素子と素子数が比較的少ない。
従って、第５図に示すように、各圧電素子18〜21に独立
に検出回路を構成することができる。すなわち、第５図
に示すように、１の圧電素子18,19,20または21に対し
て、コンデンサＣ、FET31、積分回路32及びピークホー
ルド回路33を構成し、ゲート回路34により各圧電素子に
対応する検出部を切換えることにより、それぞれ、独立
に検出出力を取出すことができる。なお、35はピークホ
ールド・リセット回路を示す。

もっとも、第５図に示した検出回路は、本願発明に必須
のものではなく、従来例のように制御線及び読取り線を
複数個の圧電素子から引出して電気的に切換えて検出す
るように構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明では、圧電素子のベース部材とは
反対側に位置する端面と加圧シートを介して表裏対向す
る位置に高さ調整用部材が、各圧電素子に対応して形成
されており、該高さ調整部材が機械加工によりその厚み
を低減し得る材料で構成されているので、センサを組立
てた後にあるいは組立て工程の途中において、高さ調整
部材を加工して各圧電素子部分における被測定物に接触
される面の高さを均一にすることができる。

よって、ベース部材や加圧シート等の他の部材の厚みが
不均一であったとしても、被接触物体の当接に起因する
圧力分布を正確に検出することが可能となる。

従って、加圧力に対する歪みが小さく、非常に小さな歪
みに対しても動作可能な圧電型圧力センサの特徴と活か
した、高精度かつ高感度の圧力分布センサを実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部を拡大して示す、第３
図のI-I線に沿う部分の拡大断面図、第２図は従来例を
説明するための部分切欠拡大断面図、第３図は本発明の
一実施例の概略斜視図、第４図は第３図の実施例の分解
斜視図、第５図は第３図実施例の検出回路の一例を説明
するための回路図である。 図において、10は圧電型圧力分布センサ、12はベース部
材、18〜21は圧電素子、18a,18b,20a,20bは圧電素子に
設けられた電極、23は加圧シートとしての第２のフレキ
シブル基板、24〜27は高さ調整部材を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース部材と、 前記ベース部材上にマトリクス状に配置された複数個の
   圧電素子を有する圧電素子群と、 前記複数個の圧電素子のベース部材と反対側の端面に当
   接するように配置された加圧シートと、 前記各圧電素子の前記端面と加圧シートを介して表裏対
   向する部分に取付けられており、かつ厚みを機械加工に
   より低減し得る材料よりなる複数個の高さ調整部材とを
   備えることを特徴とする、圧電型圧力分布センサ。